Hmotnostní spektrometrie Princip: 1. Ze vzorku jsou tvořeny ionty na úrovni molekul, nebo jejich zlomků (fragmentů), nebo až volných atomů dodáváním energie, např. uvolnění atomů ze vzorku nebo přímo rozštěpení vzorku na atomy uvolnění/rozštěpení na molekulu rozštěpení molekul na skupiny atomů – podle struktury molekuly (vzorce) částice jsou ionizovány dodáním energie současně se štěpením nebo dodatečně (z částice je uvolněn elektron a zbytek tak získá kladný náboj) částice mají obvykle jen jednotkové kladné náboje (odštěpí se z nich jen 1 elektron), Pokud částice získají 2, případně snad i více jednotkových nábojů (odštěpení více elektronů z částice), komplikují vyhodnocení spektra – považujeme za interferenci. 2. Vzniklé ionty se průchodem přes magnetické nebo elektrické pole, často přes obě rozdělí (separují) podle poměru hmotnosti iontu a jeho náboje, tj. M/z (M relativní molekulová hmotnost; z- náboj) 3. Detektorem měříme intenzitu proudu iontů (počet dopadlých iontů za 1 sekundu) Vznik iontů – ionizace: - ionizace jiskrou (pouze u pevných a netěkavých látek – pevný vzorek) - ionizace nárazem elektronů na částice vzorku v plynné fázi
Probíhá řada reakcí, např.: M + e- M+ + 2 eionizace atomu + XY + e XY + 2 e ionizace molekuly + XY + e X +Y+ 2e XY + e Y + + X + 2 eštěpení molekuly na fragmenty a jejich ionizace
a další - chemická ionizace Využívá iontově molekulových reakcí v plynné fázi, např. M + X+ M+ + X činidlem bývá methan ionizace plynu a ty při srážkách ionizují částice vzorku
např. ionizace v plazmatu (ICP-MS) Uspořádání (rozdělení) iontů podle poměru M/z klasické uspořádání - pohybem v magnetickém poli: Nejprve průchodem elektrickým polem (napětí U) získají ionty kinetickou energii (E):
E
zU
1 M v2 2
Pokud mají všechny stejný - jednotkový náboj, získají při daném napětí všechny stejnou kinetickou energii. Rychlost iontů pak tedy závisí jen na jejich hmotnosti:
v
2zU M
Pak jsou vedeny do magnetického pole, která má určitou magnetickou indukci B. Na ionty pohybující se v magnetickém poli (pohyb kolmo k jeho magnetickým indukčním čarám) působí Lorenzova síla (FL), a to kolmo ke
směru pohybu a zároveň i kolmo k indukčním čarám (třetí kolmý směr v trojrozměrném prostoru):
FL
Bzv
Tato síla zakřivuje dráhu letících nabitých částic - vytváří dostředivou sílu, kruhové dráhy částic mají takový poloměr zakřivení, aby Lorenzova síla byla vyrovnána silou
FO
odstředivou
Mv2 r
Z rovnosti rovnic vyplývá
Bzv
Mv r
2
Po dosazení z první rovnice dostaneme
M z
B 2r 2 2U
Pro poloměr dráhy iontu pak platí:
r
2U M B2 z
Ionty s různým poměrem M/z se pohybují po různých poloměrech (drahách) a dopadají na různá místa. lze uvést na dráhu odpovídající geometrickému uspořádání analyzátoru měněním U nebo B.
a urychlovací komora s elektrickým polem detektor (na něj dopadají ionty jen při vhodném poloměru jejich dráhy. Měníme-li postupně U, nebo B, na detektor postupně dopadají ionty (1+) jen s určitými odpovídajícím způsobem se měnícími hmotnostmi – měříme jejich intenzitu proudu pro každou hmotnost (resp. poměr M/z)
Další principy separace a) přístroje s dvojí fokusací b) kvadrupólový analyzátor (často jako detektor u plynové chromatografie v GC-MS pro ICP-MS) Je tvořen 4 tyčemi, na něž je vloženo stejnosměrné a vysokofrekvenční napětí. Ionty se pohybují ve směru osy tyčí a v důsledku měnícího se elektrického pole začnou oscilovat. Do detektoru dorazí pouze ionty o určitém poměru hmotnosti a náboje. c) analyzátory založené na době letu (TOF, time-of-fly) Ionty jsou vytvořeny „najednou“ v období krátkého časového pulsu (např. 10-8 s) a najednou urychleny stejnou energií. Ionty s různým poměrem hmotnosti a náboje tedy získají různou rychlost a dorazí do detektoru v různém čase.
MALDI-TOF: kombinace - vytvoření iontů laserovým pulsem a dělení na analyzátoru TOF (Matrix-Assisted-LaserDesorption-Ionisation – TOF) Využití hmotnostní spektrometrie o Měření fyzikálních a fyzikálně-chemických charakteristik, měření zastoupení izotopů, stanovení molekulových hmotností, elementárního složení a struktury organických sloučenin. o Kvalitativní a kvantitativní analýza složitých směsí o ICP-MS - spojení atomizace a tvorby iontů v indukovaně vázané plazmě (ICP) – a detekce iontů MS (kvadrupól) – slouží k elementární (prvkové) analýze - stanovení prvků obdobně jako u ICP-OES, měří se současně mnoho prvků najednou (rychlá analýza), vzorky musí být převedeny do roztoku, ale nižší meze detekce, než při ICP-OES (meze detekce srovnatelné nebo než AAS) o Spojení hmotnostní spektrometrie se separačními metodami: - GC-MS (spojení s plynovou chromatografií) - HPLC-MS (spojení s vysoko účinnou kapalinovou chromatografií) - CE-MS (s kapilární elektroforézou)
Literatura: 1. Analytická příručka (J. Zýka a kol.) (novější vydání) 2. A. Horna: Hmotnostní spektrometrie s chemickou ionizací a její využití pro analýzu organických látek. V knize: Nové trendy v teorii a instrumentaci vybraných analytických metod. Academia, Praha 1993,
